長距離高精度的線性調(diào)頻光時(shí)域反射儀

王 強(qiáng)，任曉林，易水寒，喻杰奎，張 譜，李 蔚

（1.國網(wǎng)西藏電力有限公司，拉薩 850000； 2.武漢光迅科技股份有限公司，武漢 430205；3.華中科技大學(xué) 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

0 引 言

光時(shí)域反射儀（Optical Time Domain Reflectometry，OTDR）是光纖性能檢測和故障定位的常用儀器［1－2］。一般來說，可以通過增加注入光纖的探測光脈沖的能量來提高OTDR的動態(tài)范圍，但是這樣會引起非線性效應(yīng)［3－4］，影響背向散射光的檢測。也有研究人員提出通過相干檢測來提高接收機(jī)的靈敏度［5］，但檢測距離受光源相干長度、相位噪聲和背向散射光的偏振態(tài)等因素的限制［6］；在文獻(xiàn)［7］中，作者提出了一種數(shù)字線性調(diào)頻OTDR（Digital Linear Frequency Modulation OTDR，DLFM－OTDR），它可以同時(shí)提高OTDR空間分辨率和動態(tài)范圍，但實(shí)驗(yàn)中的DLFM－OTDR測試距離為100km，空間分辨率為30m，這樣的測試距離和分辨率不適合在西藏人煙稀少地區(qū)和單跨段傳輸距離很長的光纖傳輸鏈路中使用。

為了解決這個(gè)問題，本文提出一種用于提高DLFM－OTDR空間分辨率和測量距離的方法。該方法通過產(chǎn)生高調(diào)頻范圍和長脈寬的模擬線性調(diào)頻（Linear Frequency Modulation，LFM）信號，從而實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率和大的探測距離。使用該方法在西藏地區(qū)的光纖傳輸鏈路中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在長度為240km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)0.000 53km的空間分辨率。與相同測量參數(shù)的單脈沖OTDR相比，該方法的動態(tài)范圍提高了8.5dB。

1 原 理

在LFM OTDR中，背向散射光經(jīng)過直接檢測和光／電轉(zhuǎn)換后的電流信號x（t）可以表示為

式中：Rd為常數(shù)，為光電探測器的響應(yīng)率；!為卷積運(yùn)算；當(dāng)探測信號為沖擊函數(shù)時(shí)，背向散射光對探測信號的脈沖響應(yīng)為 G（t）；Ps（t）為調(diào)制 信 號 為LFM信號時(shí)光強(qiáng)調(diào)制脈沖的功率，可以寫成：

式中：t為時(shí)間序列；P0為激光器的光功率；T為脈沖寬度；f0為LFM 探測脈沖的起始頻率；K 為LFM探測脈沖的調(diào)頻斜率；rect（·）為矩形窗函數(shù)。

在LFM OTDR中，不僅需要檢測LFM探測脈沖的強(qiáng)度，還需要檢測LFM探測脈沖隨時(shí)間的變化［7］。短時(shí)分?jǐn)?shù)傅里葉變換（Short Time Fractional Fourier Transform，STFrFT）是一種加窗的傅里葉變換，用于檢測信號中LFM信號隨時(shí)間的變化［8］。因此，選擇STFrFT作為LFM OTDR的信號處理方法。在實(shí)際應(yīng)用中，STFrFT的計(jì)算過程是將一個(gè)較長的時(shí)間信號分割成等長的較短的段，然后在每個(gè)較短的段上分別計(jì)算分?jǐn)?shù)階傅里葉變換。

電流信號x（t）經(jīng)過STFrFT之后的信號為［7］

式中，Sa（·）為sinc函數(shù)。

理論上，LFM OTDR的空間分辨率是由sinc函數(shù)的半高全寬（Full Width Half High，F(xiàn)WHM）決定的，可以表示為

式中：c為光在真空中的傳播速度；n為被測光纖的折射率；B＝KT為LFM脈沖的掃頻范圍。

2 模擬LFM信號

圖1和2分別給出了兩種不同的產(chǎn)生LFM信號的方法。圖1所示為基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和脈沖激光器生成強(qiáng)度調(diào)制DLFM信號的方法［7］。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，只需要一個(gè)FPGA、激光驅(qū)動器以及脈沖激光器；缺點(diǎn)是產(chǎn)生的DLFM信號的掃頻范圍受FPGA和激光驅(qū)動器帶寬的限制，不能產(chǎn)生大調(diào)頻范圍的LFM信號。在文獻(xiàn)［7］中，由于激光驅(qū)動器帶寬的限制，產(chǎn)生的DLFM信號的帶寬只有4MHz，根據(jù)式（4）計(jì)算出的對應(yīng)的空間分辨率為26m。

圖1 基于FPGA和脈沖激光器生成DLFM信號的方法

圖2所示為基于任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，AWG）和馬赫曾德爾調(diào)制器（Maher Zehnder Modulator，MZM）生成強(qiáng)度調(diào)制模擬LFM信號的方法。AWG用于產(chǎn)生一路大調(diào)頻范圍的LFM信號和一路同步觸發(fā)信號，其中大調(diào)頻范圍的LFM信號作為MZM的驅(qū)動信號，用于通過MZM對激光器產(chǎn)生的連續(xù)光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制；另一路同步觸發(fā)信號作為聲光調(diào)制器（Acoustic Optical Modulator，AOM）的開關(guān)信號，作用是產(chǎn)生LFM探測脈沖。使用AOM的好處是可以提高探測脈沖的消光比。該方法相當(dāng)于采用外調(diào)制的技術(shù)，而圖1所示的方法相當(dāng)于采用內(nèi)調(diào)制的技術(shù)。圖2所示方法的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生調(diào)頻范圍非常大的LFM信號，本文使用該方法生成了一個(gè)調(diào)頻范圍為200MHz的強(qiáng)度調(diào)制模擬LFM信號；缺點(diǎn)是需要的儀器比較多，結(jié)構(gòu)相對要更加復(fù)雜一些。

圖2 基于AWG和MZM生成強(qiáng)度調(diào)制模擬LFM信號的方法

對大調(diào)頻范圍的模擬LFM信號經(jīng)過STFrFT之后的結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真使用的采樣率為1GHz。圖3所示為兩段相隔10ns的LFM信號，它們的參數(shù)是一樣的，即LFM脈沖寬度為20μs，起始頻率為50MHz，調(diào)頻范圍為200MHz。根據(jù)光在光纖中的傳輸速度和LFM信號相隔的時(shí)間差，可以計(jì)算這兩個(gè)LFM信號在光纖中傳輸時(shí)的距離差。假設(shè)光纖的折射率為1.5，光速為3×108m／s，可以得到這兩個(gè)相同參數(shù)的LFM信號在光纖中傳輸時(shí)的距離差為1m。

圖3 兩段相隔10ns的LFM信號

圖4所示為這兩段相隔10ns的LFM信號經(jīng)過STFrFT后的結(jié)果。每一段LFM信號經(jīng)過STFrFT后會產(chǎn)生一個(gè)尖峰，其中峰值的FWHM與LFM信號的調(diào)頻范圍成反比，即200MHz的調(diào)頻范圍對應(yīng)的FWHM為5ns。根據(jù)式（4）換算成光纖中的距離為0.5m。由圖4可知，兩個(gè)峰值之間的時(shí)間間隔為10ns，對應(yīng)的距離為1m。這個(gè)結(jié)果與圖3中兩段LFM信號的距離差一致，因此，可以使用大調(diào)頻范圍的模擬LFM信號來實(shí)現(xiàn)高精度的事件測量。

圖4 兩段相隔10ns的LFM信號經(jīng)過STFrFT后的結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖5所示為LFM OTDR的實(shí)驗(yàn)框圖，用來演示使用強(qiáng)度調(diào)制模擬LFM信號作為探測信號的LFM OTDR的性能。根據(jù)已有的實(shí)驗(yàn)條件，使用激光二極管、AWG、MZM和AOM來產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制模擬LFM探測脈沖。如圖5所示，來自激光器的連續(xù)光的強(qiáng)度通過MZM被調(diào)制成LFM信號，MZM的驅(qū)動信號來自AWG產(chǎn)生的電LFM信號，同時(shí)AWG還發(fā)送與電LFM信號同步的觸發(fā)信號給AOM的驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)觸發(fā)信號控制AOM的開和關(guān)，通過AOM可以將連續(xù)的強(qiáng)度調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換為探測脈沖光信號。本實(shí)驗(yàn)中LFM探測脈沖的調(diào)頻范圍為50～250MHz（B＝200MHz）。探測脈沖光信號的峰值功率為5dBm。探測脈沖的持續(xù)時(shí)間為20μs，并且脈沖的重復(fù)周期由觸發(fā)信號的周期確定。在本文的實(shí)驗(yàn)中，觸發(fā)信號的周期與電LFM信號同為3ms，對應(yīng)探測距離為300km。通過光環(huán)行器，探測脈沖被耦合到被測光纖中。之后，背向散射光沿著光纖向后傳播并通過光環(huán)行器傳送到光探測器，光探測器將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號。實(shí)驗(yàn)中使用的光探測器的接收靈敏度約為－40dBm。用數(shù)字采樣示波器來采集電信號，采樣率為1.25GSample／s。最后，利用離線的信號處理來恢復(fù)后向散射光所攜帶的光纖特性信息。

圖5 LFM OTDR的實(shí)驗(yàn)框圖

基于該實(shí)驗(yàn)方案在西藏阿里地區(qū)吉隆—查務(wù)雙回500kV線路、查務(wù)—雅上500kV線路的查務(wù)—多林段、多林變至查務(wù)—多林段500kV線路的兩回220kV對接線路和吉隆—薩嘎—仲巴—霍爾—巴爾單回220kV線路的新建線路長度約為2×125、2×150、3×80、96、220、216和156km 上進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)測試。

圖6所示為西藏地區(qū)實(shí)際的光纖傳輸鏈路上的測試結(jié)果，被測光纖總長度約為240km，由3段80km的光纖組成。分別測試了LFM OTDR和傳統(tǒng)單脈沖OTDR的性能。實(shí)線為累加4 096次后獲得的到LFM OTDR的測量曲線。虛線為累加4 096次后獲得的到單脈沖OTDR的測量曲線，其中單脈沖OTDR探測脈沖的持續(xù)時(shí)間為20μs，探測周期為3ms，與LFM OTDR的參數(shù)一樣。

圖6 3×80km的光纖鏈路測試結(jié)果

由圖6可知，單脈沖OTDR和LFM OTDR都能檢測到大約80km處的插入損耗。但是光纖末端的菲涅耳反射只有LFM OTDR能夠檢測到。從圖6中的放大圖可知，光纖末端反射峰的FWHM為0.000 53km，因此分辨率為0.000 53km，與由式（4）計(jì)算出的結(jié)果和上一節(jié)的仿真結(jié)果都一致。傳統(tǒng)的OTDR和LFM OTDR都沒有測量出大約在160km處的插入損耗，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)的平均次數(shù)比較少，且插入損耗沒有一個(gè)強(qiáng)的反射信號，導(dǎo)致在160km處損耗事件的信噪比比較低。根據(jù)OTDR動態(tài)范圍的定義，可以看到單脈沖OTDR的動態(tài)范圍約為27dB，LFM OTDR的動態(tài)范圍約為35.5dB。所提出的改進(jìn)LFM OTDR的動態(tài)范圍比單脈沖OTDR的動態(tài)范圍高8.5dB。因此，本文所提出的LFM OTDR特別適合在西藏這樣人煙稀少和單跨段很長的情況下，實(shí)現(xiàn)長距離高精度的光纖傳輸鏈路的監(jiān)測。

4 結(jié)束語

為了對西藏人煙稀少地區(qū)和單跨段傳輸距離很長的光纖鏈路進(jìn)行檢測，本文提出了一種用于提高DLFM－OTDR空間分辨率和測量距離的方法。該方法使用AWG和MZM生成強(qiáng)度調(diào)制模擬線性信號，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以產(chǎn)生調(diào)頻范圍非常大的LFM信號；缺點(diǎn)是需要的儀器比較多，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。使用本文提出的LFM OTDR在西藏地區(qū)長度為3×80km的實(shí)際光纖傳輸鏈路中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠在長度為240km的光纖鏈路上實(shí)現(xiàn)0.000 53km的空間分辨率。與相同測量參數(shù)的單脈沖OTDR相比，該方法的動態(tài)范圍可以提高8.5dB。因此，本文提出的LFM OTDR特別適合在西藏人煙稀少地區(qū)和單跨段很長的情況下，實(shí)現(xiàn)長距離高精度的光纖傳輸鏈路的監(jiān)測。